专利名称：一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及两相流相含率的检测技术领域，具体涉及一种微小管道气液两相流空 隙率测量螺旋电容传感器。
背景技术：
两相流是指两种物质混合流动的情况，与单相流相比，两相流由于不同相之间存 在着界面效应和相对速度，且相界面在时间和空间上都是随机变化的，因此其流动特性更 为复杂。目前，在能源、化工、制冷、国防以及航天航空等领域的许多装置、设备中都涉及到 微小管道中的气液两相流，微小管道的内径小于10mm，随着这些行业的迅速发展，研究微小 管道中气液两相流的流动机理、准确检测其各种参数是实现两相流工业系统检测、分析和 控制的基础，也是现代工业设备研制和开发的基础。国内外测量气液两相流的主要原理有 超声波法、光学法、电容法、压力法、射线法等。基于超声波方法的优势是传感器采用非侵入 及非接触方式，但其传感器信号处理方法较为复杂，此外，超声波信号穿透管道的能力与其 检测气泡的分辨率存在矛盾，在实际应用中往往需要兼顾二者做折中处理；光学法通常需 要将传感器侵入到内管壁，要做到非侵入测量则需要保证管壁是透明的，这在很大程度上 限制了光学法的应用；压力法在测量气液两相流含率的过程中，传感器信号处理方法复杂， 且在微小管道中测量的实用性还有待研究；射线法由于其辐射等因素需要慎用；电容法由 于其传感器结构简单、非接触测量、实时性好以及适应范围广等特点已被用于常规的气液 两相流参数的检测，同时，一些专家学者也将其成功的应用于微重力环境中，但是，如何利 用电容传感器来准确、可靠的检测以及监测微小管道中气液两相流的流动参数仍然是一个 需要深入研究的课题，目前，还没有见到利用螺旋电容传感器来准确的测量微小管道气液 两相流的空隙率的相关报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种微小管道气液两相流空 隙率测量螺旋电容传感器，能够准确检测微小管道气液两相流的空隙率，并且不受流型变 化的影响，也可以将其应用于微重力条件下的气液两相流测量。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，包括源电极1，源电极1和 检测电极2按相同方向从绝缘管道7外部的一端旋向绝缘管道7外部的另一端，旋转角度 为360°或720°，形成螺旋结构的测量电极对，在测量电极对之间设有螺旋结构的轴向保 护电极3，在测量电极对两端设有边缘保护电极4，在测量电极对和边缘保护电极4的外部 安装有屏蔽罩5，轴向保护电极3和边缘保护电极4与屏蔽罩5电气连接，同时接地。所述的测量电极对宽度为0. 200-0. 280倍螺距，螺距为1. 625-2. 85倍绝缘管道7 外径。所述的轴向保护电极3与测量电极对具有 相同的螺距，其旋转角度比测量电极对多360°，轴向保护电极3与测量电极对夹角为10° -20°。所述的边缘保护电极4的结构为螺旋结构、螺旋_柱面结构或者柱面结构。所述的边缘保护电极4长度为半个螺距，边缘保护电极4与测量电极对的轴向间 距为0. 25倍绝缘管道7外径，当边缘保护电极4为螺旋结构或螺旋_柱面结构时，边缘保 护电极4与测量电极对具有相同的螺距。所述的屏蔽罩5与测量电极对的径向间距大于0. 5倍绝缘管道7外径，屏蔽罩5 采用能够防止电磁干扰的材料。
本发明的工作原理为对于具有不同介电常数的两相流体，当各相的空间分布或 浓度发生变化时，将引起两相流体等效介电常数的改变，从而使测量电极对间的电容发生 变化，通过测量源电极1和检测电极2之间电容的变化量，便可以得到介质浓度的变化情 况。由于本发明结构中的源电极1、检测电极2、轴向保护电极3、边缘保护电极4和屏 蔽罩5的特殊设计，使得传感器具有均勻的敏感场，克服了边缘效应的影响，测量结果能客 观的反应介质浓度的变化情况，而不依赖于流型信息，故而能够准确检测微小管道气液两 相流空隙率，同时也可以应用于微重力条件下的气液两相流测量。
附图为本发明的结构剖视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细描述。参照附图，一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，包括源电极1， 源电极1和检测电极2按相同方向从绝缘管道7外部的一端旋向绝缘管道7外部的另一端， 旋转角度为360°或720°，形成螺旋结构的测量电极对，在测量电极对之间设有螺旋结构 的轴向保护电极3，在测量电极对两端设有边缘保护电极4，在测量电极对和边缘保护电极 4的外部安装有屏蔽罩5，轴向保护电极3和边缘保护电极4与屏蔽罩5电气连接，同时接 地，绝缘管道7的两端通过卡套6与被测管道密封连接，由于卡套6具有变径连接的灵活 性，可以方便的将传感器段安装于不同管径的被测管段上进行测量。所述的测量电极对宽度为0. 200-0. 280倍螺距，螺距为1. 625-2. 85倍绝缘管道7 外径。所述的轴向保护电极3与测量电极对具有相同的螺距，其旋转角度比测量电极对 多360°，轴向保护电极3与测量电极对夹角为10° -20°。所述的边缘保护电极4的结构为螺旋结构、螺旋_柱面结构或者柱面结构。所述的边缘保护电极4长度为半个螺距，边缘保护电极4与测量电极对的轴向间 距为0. 25倍绝缘管道7外径，当边缘保护电极4为螺旋结构或螺旋_柱面结构时，边缘保 护电极4与测量电极对具有相同的螺距。所述的屏蔽罩5与测量电极对的径向间距大于0. 5倍绝缘管道7外径，屏蔽罩5 需要能有效的抑制外界环境电磁干扰的影响，采用能够防止电磁干扰的材料。本发明的工作原理为对于具有不同介电常数的两相流体，当各相的空间分布或浓度发生变化时，将引起两相流体等效介电常数的改变，从而使测量电极对间的电容发生变化，通过测量源电极1和检测电极2之间电容的变化量，便可以得到介质浓度的变化情 况，测量过程中，轴向保护电极3、边缘保护电极4以及屏蔽罩5接地，轴向保护电极3以及 边缘保护电极4的接地可以引流边缘电场线，降低边缘效应对测量结果产生的影响，提高 测量精度，屏蔽罩5可以避免外界的电磁干扰，进一步提高测量精度。经标定试验，在0-100%空隙率范围内，本发明的测量准确度为士5%，重复性误 差优于1.0%，能够高精度测量微小管道中气液两相流的空隙率。附图中1为源电极；2为检测电极；3为轴向保护电极；4为边缘保护电极；5为屏 蔽罩；6为连接卡套，绝缘管道7。
权利要求
一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，包括源电极(1)，其特征在于源电极(1)和检测电极(2)按相同方向从绝缘管道(7)外部的一端旋向绝缘管道(7)外部的另一端，旋转角度为360°或720°，形成螺旋结构的测量电极对，在测量电极对之间设有螺旋结构的轴向保护电极(3)，在测量电极对两端设有边缘保护电极(4)，在测量电极对和边缘保护电极(4)的外部安装有屏蔽罩(5)，轴向保护电极(3)和边缘保护电极(4)与屏蔽罩(5)电气连接，同时接地。
2.根据权利要求1所述的一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，其 特征在于所述的测量电极对宽度为0. 200-0. 280倍螺距，螺距为1. 625-2. 85倍绝缘管道 (7)外径。
3.根据权利要求1所述的一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，其特 征在于所述的轴向保护电极(3)与测量电极对具有相同的螺距，其旋转角度比测量电极 对多360°，轴向保护电极(3)与测量电极对夹角为10° -20°。
4.根据权利要求1所述的一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，其特 征在于所述的边缘保护电极(4)的结构为螺旋结构、螺旋-柱面结构或者柱面结构。
5.根据权利要求1所述的一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，其特 征在于所述的边缘保护电极(4)长度为半个螺距，边缘保护电极(4)与测量电极对的轴向 间距为0. 25倍绝缘管道(7)外径，当边缘保护电极(4)为螺旋结构或螺旋_柱面结构时， 边缘保护电极(4)与测量电极对具有相同的螺距。
6.根据权利要求1所述的一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，其特 征在于所述的屏蔽罩(5)与测量电极对的径向间距大于0. 5倍绝缘管道(7)外径，屏蔽罩 (5)采用能够防止电磁干扰的材料。
全文摘要
一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，包括源电极，源电极和检测电极按相同方向从绝缘管道外部的一端旋向绝缘管道外部的另一端，形成螺旋结构的测量电极对，在测量电极对之间设有螺旋结构的轴向保护电极，在测量电极对两端设有边缘保护电极，在测量电极对和边缘保护电极的外部安装有屏蔽罩，轴向保护电极和边缘保护电极与屏蔽罩电气连接，同时接地，绝缘管道的两端通过卡套与被测管道密封连接，通过测量源电极和检测电极之间电容的变化量，便可以得到介质浓度的变化情况，本发明能够准确检测微小管道气液两相流空隙率，同时也可以应用于微重力条件下的气液两相流测量。
文档编号G01N27/22GK101865872SQ201010157730
公开日2010年10月20日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者叶佳敏, 彭黎辉 申请人:清华大学